协调人与地质环境的关系——人类活动对地质环境的影响.pdf

2000年8月 第30卷第4期 西北大学学报自然科学版 Journal of Northwest U niversityN atural Science Edition A ug. 2000 Vol .30 No. 4 收稿日期 2000201213 基金项目国家自然科学基金资助项目49472132 作者简介雷祥义19422 , 男,陕西蓝田人,西北大学教授,博士生导师,主要从事黄土与第四纪地质及环境地质学研究。 协调人与地质环境的关系 人类活动对地质环境的影响 雷祥义 西北大学 地质学系 黄土研究室,陕西 西安 710069 摘要从地质环境的基本属性和特征入手,重点探讨了人类活动对地质环境的影响。 结论指出地质 环境是生物圈、 大气圈、 水圈和岩石圈相互交汇而成的地质空间,具有空间性、 稳定性、 可变性和系 统性等特征,是包括人类在内的所有生物的栖息地;由于人口的剧增和科学技术的发展,人类活动 导致地质环境发生着深刻的变化,即改变着地球表面的形态、 破坏了地表的植被、 产生了新的地球 化学过程、 改变着水的循环途径和物质成分、 改变着大气的成分和使物种减少。认为地质环境的变 化直接影响着人类生活环境的质量,甚至对人类的生存构成威胁。 关 键 词地质环境;人类活动;环境地质学 中图分类号 X141 文献标识码 A 文章编号 1000227420000420323205 1 地质环境及其特征 1. 1 地质环境 环境,概略地说是指人体周围的境况,亦即人体 周围事物的总体。按其形成原因、 物质组成、 存在状 况、 对生命活动的影响等因素,可将其分为自然环境 和社会环境两大部分。自然环境由生物圈、 大气圈、 水圈和岩石圈4个基本要素组成。地质环境属于自 然环境的范畴。 关于地质环境的含意已有许多研究者进行过较 详细的论述[1 ～4], 但认识不尽一致。笔者认为,地质 环境是指人类赖以生存、 繁衍的地球表层的地质空 间,即生物圈、 大气圈、 水圈和岩石圈相互交汇而成 的地质空间见图 1 。它是岩石圈上部表层部分 有特殊性质的部分,是一个多因子系统,其主要因子 是岩石、 土壤、 有机物、 气体、 地下水、 生物包括微生 物以及动力作用等。 所有这一切组分构成了地质环 境系统,此系统处于不断的相互作用之中,并决定着 它的动态和性质。这就是地质环境的基本属性。 1. 2 地质环境的基本特征 地质环境有其固有的一些基本特征,这就是地 质环境的空间性、 稳定性、 可变性和系统性[5]。 11211 空间性 地质环境是有空间位置的,其上限 是岩石圈的表面。 地质环境诸因子在这里与大气圈、 水圈、 生物界发生着积极的相互作用,正是这种作用 对地质环境的结构、 性质及其生态质量的形成起着 重要的作用。 图1 地质环境的空间 Fig. 1 Space of geological environment 地质环境的下限具体到什么深度,目前仍认识 不一。有些学者[2, 6]认为,其下限深度决定于人类科 学技术水平及生产活动所能达到的深度。目前的钻 探深度大约为5 km ,最深可达12 km前苏联在克 拉半岛开凿技术钻孔的深度。一般情况下,深处的 地质环境对人类的影响不大,而且技术条件也限制 了研究如此深度内的地质环境。 因此,没有必要严格 划定地质环境的下限位置深度 , 具体的下限应视 利用和研究的目的而定。 例如研究地球化学环境对 人类的影响,只涉及表层的深度;研究地下水文环 境,只涉及含水层的深度;研究有毒废液的深井灌注 及高放射核废物的地质处理,常常涉及较深的地质 环境,但其深度也不过1～2 km左右。 11212 稳定性 如前所述,地质环境是由岩石、 土 壤、 水气和生物构成的,在天然状态下,这些要素之 间进行着能量的流通和物质的交换,不断地进行着 由平衡到不平衡再到平衡的反复运动之中,且维持 其相对的稳定性。 正是这种相对的稳定性,才形成了 今日的大千世界。 但是,当人类活动作为地球外部一 种新的因素作用于地质环境时,将改变其天然的平 衡关系,使地质环境的态势发生变化,产生新的平衡 关系。 11213 可变性 地球自45亿年前形成以来,其岩 石圈的物质组成、 结构、 构造和地表形态都一直处在 不断的变化之中,这就是传统的地质作用。 它包括内 动力地质作用如构造运动、 岩浆活动、 地震作用、 变 质作用和外动力地质作用包括风化作用、 剥蚀作 用、 搬运作用、 沉积作用和硬结成岩作用。 由于人类 的出现,尤其是在人口剧增、 社会生产力和科学技术 大大发展的情况下,地球表面受到了人类活动的强 大冲击,人类活动成了天然内外地质动力之外的使 地球表面发生变化和发展的不可忽视的又一动力, 其作用的规模与速度可同天然地质作用相比拟。这 就是通常所谓的人为地质作用。 11214 系统性 地质环境是岩石圈的表层系统。 在 这个系统中,诸如岩石、 土壤、 水、 大气、 生物等因素 之间,存在着物质和能量的流通与转换关系,形成一 个不可分割的统一体。地质环境系统和生态系统一 样,具有自我调节的能力,当地质环境系统受到外力 干扰时,通过其内部机制的调节能力对外界的冲击 进行补偿和缓冲,维持地质环境系统的平衡。但是, 当外力干扰超过其本身自我调节能力时,该系统的 平衡将会受到破坏。 2 地质环境并非人类所独有 地球上的一切生物都是地质环境演化的产物, 人也不例外。 地质环境系统中有各种各样的生物,有 人类、 动物、 植物、 微生物等。所以,地质环境是所有 生物的栖息地,为多种生物所共有。 地质环境正是有 了这多样性的生物才显得如此生机勃勃,绚丽多彩。 生物的多样性为人类提供了生产条件并丰富了人类 的物质生活,同时还给人以精神上的快乐。 人类自出现以来,一直靠其他生物而生活。 如果 没有其他生物,如植物、 动物等,人类就不可能生存。 由于人类数量的急剧增加,生产规模不断扩大,科学 技术不断发展,消费水平不断提高,对自然资源的需 求量日益加大。然而,地球上的生物资源及矿产资 源是有限的,若人们消耗的速度大于生物资源增长 的速度,会使生物资源遭到掠夺性的破坏,从而导致 物种日渐灭绝的悲惨局面。 物种的灭绝,就意味着生 物的减少,生物的减少,就会减少人类生活所必须的 物质,物质少了,便会缺吃少穿,过穷日子,而且随着 物种的日益减少将越来越穷,最后将会变得一贫如 洗,毫无生机。 人类是万物之灵,又是动、 植物的主宰者,地球 上种种生物的兴衰都直接或间接地与人的行为有 关。 人们应该清醒地认识到地质环境并非人类所独 有,而为多种生物所共有;地质环境不仅是人类的栖 居地,而且还是多种生物的栖居地;每个物种在这个 大家园中都应有自己的一席之地,人类不能只顾自 己而不管其他物种,更不能随意伤害其他物种,应当 为每种物种的存在创造条件,让它们能够安然生息、 繁衍。这样,也只有这样,人类才能得以存在并生活 得幸福美满,世界才有生机。 3 人类活动对地质环境的影响 人类为了生存和发展,就要从事各种工程2经济 活动,这种活动对地球表层系统产生的影响是多种 多样的。概括起来,主要有以下6个方面 311 人类活动改变着地球表面的形态 地球形成、 演化、 发展的历史,到了现今阶段,除 其固有的内外地质作用仍在推动着地表形态的运动 和发展外,人已成为一种强大的地质作用力。 人为地 质作用对地表形态影响的规模与速率,已不亚于天 然地质作用力。 人类活动对地表形态的影响,随着社 会经济的发展和科学技术的进步还在不断的扩大。 在现阶段,主要表现在以下诸方面 31111 人为剥蚀作用 人类在修建铁路和公路、 开 挖航道、 建造厂房、 修建水库、 水渠等等工程活动中 423 西北大学学报自然科学版 第30卷 要挖掘土石,农业平整土地,矿山剥离盖层、 开采矿 石等,都在很大程度上破坏了地质结构,改变了地表 形态,所产生的地质效应同天然外动力引起的剥蚀 作用是完全一样的。 而且,凡人类活动区域内的这种 人为剥蚀作用的强度与速率,远比天然剥蚀作用大 得多。 31112 人为搬运作用 人为搬运作用主要表现在 两个方面①人类因耕作而造成全球土壤流失量为 21401010t a, 超过新生成的表土,加上毁林毁草 引起的土壤侵蚀,每年从地表搬走数百亿吨土壤;② 为了某种需要如填筑工程地基、 工程场地开挖、 采 掘矿石、 建筑材料等 , 由人工通过运输工具进行搬 运的。 有人估计,人类通过自己的活动每年搬运的物 质总量达110104km 3, 超过了全球水流的搬运强 度。 31113 人为堆积作用 人类在地表的堆积作用按 需要和性质可分为两类。一类是围填工程地基和围 海、 围湖造陆,其厚度和分布面积可达相当大的规 模。例如,捷克斯洛伐克布拉格市中心区,分布一层 厚达6 m的人工堆积土;日本东京港地区的大片土 地是由人工填积而成的,填海范围近4 000 hm 2, 扩 大了陆地面积。 另一类是固体废弃物和垃圾堆积。 前 者指建筑施工和工业生产产生的废弃物如建筑碎 料、 旧建筑物拆毁残渣、 工业灰渣、 矿渣废石、 工程弃 土等堆积;后者主要指固体生活垃圾堆积。 31114 人为内动力地质作用 人类兴建大型水库、 深井注水等,往往可以促使某些断层活化或引起地 震。水库蓄水诱发地震,在世界各地均有实例,如中 国、 俄罗斯、 美国、 澳大利亚、 瑞士、 法国、 印度、 希腊、 意大利、 日本、 巴基斯坦等。 上述的人为剥蚀作用、 搬运作用、 堆积作用以及 诱发的地震作用,使得地表形态发生了很大变化,形 成了新的人为地貌景观,从而破坏了地质环境的天 然平衡条件,对人类的生命财产构成威胁。 随着人口 的增长、 社会生产力的发展和科学技术的进步,人为 地质作用力将越来越强,对地质环境的影响亦将更 加强烈。 3. 2 人类破坏了地球表面的植被 植被是陆地的外衣和保护层,也是陆地上的绿 色水库,起着调节气候的作用。 由于商业、 开发耕地、 樵薪等原因,人类大肆砍伐森林和毁坏草地。目前, 世界森林总面积为218109hm 2, 每年大约有210 107hm 2 的森林从地球上消失,达40 hm 2 m in。从 1980～1990年,全世界每年砍伐森林高达1168 107hm 2; 欧洲1. 4108hm 2 森林中已有510107 hm 2 以上受到不同程度的损害;在80年代,亚太地 区减少森林面积达319107hm 2。若按目前的速度 消费,亚洲的森林资源再过40年就将枯竭。 过度的放牧、 开荒垦殖以及樵薪等活动,使得草 地面积日益缩减。 如果没有森林植被,地球上生物产量的91将 消失,大量物种将灭绝;全世界70的淡水将白白 流入大海,人类将出现水危机;陆地上90的动植 物将面临干旱威胁;生物固氮量将减少90 ,生物 放氧量将减少67;许多地方的风速将增加60～ 80 ,亿万人将毁于风灾;人类将得不到燃料用柴、 建材和林副产品;许多地区将发生洪水灾害和干旱 灾害;许多地区的水土流失、 土壤沙质荒漠化将进一 步加剧,黄土高原的水土流失和土壤沙质荒漠化就 是典型的例证。总而言之,地球上若没有森林,人类 将难以生存。 3. 3 人类活动改变了地球表层内的地球化学过程 人类通过采矿和选冶,使分散的元素集中起来, 制成各种金属和非金属产品,随着这些产品的使用 以致废弃,元素又发生了新的迁移;人类开采和制造 化学肥料,合成一些新的、 过去未曾存在过的合成 物,通过施用或使用直至废弃,也在地壳表层产生元 素迁移;矿业活动,可以改变某些矿物在地壳内的分 布状况,发生矿物的人为迁移和富集作用。 上述人类 活动不同程度地改变了某些地区地壳表层的地球化 学过程。 3. 4 人类活动改变了水的循环途径和物质成分 修建水库、 引水灌溉、 工业和生活用水,特别是 抽汲地下水等人为作用,都直接改变水的运动方式 和循环途径。 例如,在长期大规模强力开采地下水的 地区,由于开采区含水层中水压力的降低,导致含水 层和隔水层发生新的压密作用,引起地面沉降,在岩 溶发育地区发生地面塌陷。水动力条件的变化还可 以改变水与岩石或土之间的天然化学均衡条件, 引起岩石化学性质与物理性质的变化和水化学性质 的变化。 值得一提的是,工业废水、 废液和生活污水的不 合理排放,化肥和农药的施用,工业和生活垃圾的任 意堆放,都会改变海水、 湖水、 河水和地下水的化学 组分,特别是砷、 汞、 硫、 镉、 苯、 酚等进入水体,可直 接或间接地危害人畜健康。 目前,世界上约有30亿人口居住在近海地带, 人类在陆地上活动所产生的大多数液体和固体废物 523 第4期 雷祥义协调人与地质环境的关系 都排入了海洋。 据统计现在每年约有6. 5108t垃 圾排入海洋,仅流入海洋的石油每年就超过312 106 t; 近年来,在一些国家的海域内经常发生海洋哺 乳动物大批死亡事件,造成这些惨剧的主要是多氯 联苯,而目前工业发达国家每年流入海洋的多氯联 苯高达111106t。海洋是地球上生命支持系统的 一个必不可少的组成部分,保护海洋环境是一项十 分重要而紧迫的任务。 3. 5 人类活动改变了大气的物质成分 目前,世界上每年有812109t污染性二氧化 碳被排入大气层,有9亿以上的人生活在对健康有 害的二氧化硫浓度超标的环境中,有10亿左右的人 生活在超标的悬浮颗粒中。国际环保组织公布的资 料显示,全世界污染最严重的15个城市中,中国就 占了6个。我国北方城市的总悬浮颗粒年平均值超 过800Λgm 3, 有些城市冬季超过1 000Λgm 3, 超 过国家大气质量标准的两倍多,全国500多个城市 中达到大气质量标准的不足10。 1990年,全世界人类活动向大气排放硫氧化物 919107 t, 氮氧化物618107 t, 悬浮颗粒物517 107 t, 一氧化碳1. 7108t。 造成大气污染的主要原因是人类无节制地向大 气中排放废气和固体废弃物,而严重的大气污染对 人类的生产和生活造成了严重的影响。例如 1948 年美国洛杉矶产生光化学烟雾事件,造成几万人急 性中毒; 1952年英国伦敦发生硫酸烟雾事件,短短5 天时间就造成4 000余人死亡; 1970年,日本东京出 现硫酸和光化学混合烟雾事件。 汽车排放的废气危害严重。1946年美国洛杉矶 的光化学烟雾事件,以及1969年日本东京发生的居 民慢性铅中毒事件,均与汽车尾气污染有关。据测 算,每4辆汽车每天排出的一氧化碳约300 kg、 氮氧 化物约50～150 kg、 碳氢化物约200～400 kg、 尘铅 约5. 5 kg。 由于在现代工业发展过程中大量地燃烧石油、 煤炭、 天然气等化学燃料,从18世纪到现在,大气中 二氧化碳的浓度已增加了27 ,达到353 mg g, 且 每年以0. 5的速度递增。大气中二氧化碳浓度的 增高导致了 “温室效应”,从上世纪末到现在,全球大 约变暖0. 6℃左右,且地球表面的温度仍在持续增 高。 研究表明,南极上空15～20 km的低平流层中 臭氧柱总量平均已减少30～40 ,在某些高度, 臭氧的损失可能达95 ,在北极平流层中也发生臭 氧耗损。臭氧耗损危及人类。最近的研究表明,臭氧 减少1而引起的黑瘤将使男性死亡率增加1. 6 , 女性死亡率增加1. 1。1994年12月19日,美国航 天局公布的研究结果显示,工业排放的氯化物含氯 氟烃CFCS是导致臭氧空洞的主要根源。 3. 6 人类活动使地球上的物种日渐减少 地球上生命出现在38亿年前,比地球形成晚了 约7亿年。生命出现以后,在气候环境条件制约下, 沿着由简单到复杂,由低级到高级,由水生到陆生的 规律进化着。 这种进化是不可逆的,经过漫长的演化 过程,终于形成了种类繁多的生物界。 物种生存期是有限的,虽然各物种生存期长短 不一,但都将走完自己的路。 生物物种或其他类别在 单位时间内消失的百分比,叫作生物灭绝率。 在正常 时期,由于有限生存期而灭绝的灭绝率称为背景灭 绝率。物种平均生存期被估计为4M a,即经历4M a 大部分物种都将更新,其灭绝率为每百万年消失 25。 在地质历史上,由于灾害而引起多次生物大灭 绝事件,例如,二叠纪末90以上的物种消失,白垩 纪末 “恐龙时代” 的结束,等等。 这种灭绝称为异常灭 绝,其灭绝率为异常灭绝率。 生物灭绝的原因有自然的和人为的两种。自然 原因包括地球内和地球外等诸多外在因素和生物本 身的内在因素。 人为因素主要有以下几个方面①生 物的栖息地遭到破坏,例如,填湖填海造田造陆、 森 林的砍伐、 开荒垦殖、 工业和居民占地等等,使水生 及森林和草原的居住者失去栖息地;②公路、 铁路和 各种设施把生物的栖居地分割为零星碎块,成为被 人类活动 “海洋” 包围的 “小岛”,使生物种群大为缩 小,基因交流受到限制,因而降低生存能力;③环境 污染,包括空气污染、 水质恶化和酸雨等,使有些植 物物种、 河湖中的鱼类和陆上的动物物种消失;④掠 夺性的狩猎兽鸟,灭种性的捕捞鱼虾,广泛使用杀虫 剂等因经济利益驱使直接或间接杀害和毒害生 物。 目前,促使生物加速灭绝的这些因素仍呈增强趋 势。 据估计,在人类出现前,地球每100年消失一个 动物种[7]。 据1810～1960年的统计,平均每10年消 失哺乳动物2种和鸟类4. 5种[8]。自本世纪70年代 以来,生物灭绝达到高峰。对近20年来生物的灭绝 率,科学家们根据森林的缩小、 草原的沙漠化以及物 种与面积关系等做出大致相近的估计,认为每10年 有2～3的生物消失,即每10年消失26～39万 种。 按这个灭绝率发展,再经320～500年后,现在世 623 西北大学学报自然科学版 第30卷 界上生活的1 300万旧种将全部消失,而新种的产 生率显然也不会很多,这样,生物圈将成为人类以外 很少有生物的萧条世界。 因此,人类保护生物多样性 已经刻不容缓了。 综上所述,地质环境系统在人类活动的影响下 已发生了巨大的变化,其范围已经不是局部问题,而 常常是区域的或全球性的问题。这反映了人类与地 质环境的不协调,从而导致了人类生存和发展的一 系列矛盾乃至危机。 参考文献 [1] 陈梦雄.环境地质学的理论基础与研究领域[A ].中国水文地质工程地质勘查院.环境地质研究.三辑[C ].北京地震出 版社, 1995. 126. 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During geological history, changes of geological environment w ere caused by the interaction betw een internal geological agent and external one. A t present, the human activities resulted in deation of earth′s surface , damage of vegetation, occurrence of neo2geochem ical process, change of circulation and constituent of w ater, variation of gas composition and decrease of species, w hich seriously influenced quality of environment of human existence. Key words geological environment; human activities; environmental geology 723 第4期 雷祥义协调人与地质环境的关系